CN103837520A

CN103837520A - 一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置

Info

Publication number: CN103837520A
Application number: CN201410074484.4A
Authority: CN
Inventors: 张大伟; 王文; 高秀敏; 黄元申; 张雷洪
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-03-03
Filing date: 2014-03-03
Publication date: 2014-06-04
Anticipated expiration: 2034-03-03
Also published as: CN103837520B

Abstract

本发明涉及一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用光学行波无源腔，由单一曲面环形内反射镜构成高精细度腔，利用激光器出射光束斜入射腔增强原理，是的光束在腔内多次反射以行波形式传播，激光束经过区域中的被测气体发生拉曼散射，拉曼散射光经滤波片和光束会聚后，被光电检测部件收集，光电检测部件检测被测气体的特征拉曼频移和对应拉曼峰强度，得到被测气体浓度。装置整体的结构简单，对机械定位要求低，稳定性好、可靠性高的特点，同时提高了检测装置的抗干扰性；可实时在线进行测量，提高过程的动态信息，可以测量除了惰性气体外几乎所有气体的浓度；灵敏度高；响应速度快，响应时间快。

Description

一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置

技术领域

本发明涉及一种气体浓度检测，特别涉及一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置。

背景技术

痕量气体检测需求广泛存在于环境分析、资源勘探、食品安全、生命科学、医学医疗、工业过程控制、国防安全等许多领域，并且这些领域对痕量气体检测的灵敏度要求也越来越高。高精细度腔吸收光谱技术由于具有检测灵敏度高，多用来分析痕量气体浓度和组分，成为痕量物质测量技术发展趋势之一，得到了广泛的关注。

在先技术中，有一种高精细度腔光谱分析***（参见美国专利“Cavity ring down arrangement for non-cavity filing samples”，专利号：US6,452,680 B1）。该高精细度腔光谱分析***具有相当的优点，但是，仍然存在一些不足：1）采用线型精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光强分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2）来测试分析流体物质；3）激光束入射和出射样品池时，均要以布鲁斯特角入射和出射，这样就增加了样品池机械定位要求和光束方向控制精度要求；4）高精细度腔有两个或多个高反射率反射镜光学元件构成，结构复杂。

在先技术中，也存在基于拉曼效应的腔增强的痕量气体检测装置，参见美国Atmosphere Recovery公司的***体分析仪产品，以及中国实用新型专利，专利名称：一种录井用拉曼光谱气体检测***，专利号：ZL201120284529.2，这种激光***体分析仪具有一定的优点，但是，也存在一些不足：1）同样采用线型精细度腔结构，激光在高精细度腔内形成光学驻波，导致光强分布不均，以及光束入射端腔镜的反射光易对激光器产生干扰；2）由于采用有源腔结构，即激光工作介质和气体室均在谐振腔内部，这样增加了***复杂度，降低了装置抗干扰性，影响装置现场使用适应能力。

发明内容

本发明是针对痕量气体检测装置存在的问题，提出了一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，具有结构简洁、检测时抗干扰性强、同时检测多种气体、灵敏度高、响应速度快、现场环境适应能力、维护容易等特点。

本发明的技术方案为：一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，包括激光光源、曲面环形内反射镜高精细度腔、光束会聚元件、滤光片、光电检测部件、反射镜，光电检测部件、滤光片、光束会聚元件、曲面环形内反射镜高精细度腔、反射镜依次同轴对称放置，曲面环形内反射镜高精细度腔为由曲面环形内反射镜构成的单一的高精度腔，高精细度腔的内壁反射层的反射率大于98%，曲面环形内反射镜高精细度腔在对称轴的两侧对称开相同大小的输出口，一侧输出口边设置有光束会聚元件，另一侧输出口设置比输出口大的反射镜，被检测气体置于曲面环形内反射镜高精细度腔体中心区域，激光光源出射光束经过曲面环形内反射镜高精细度腔的透光孔斜入射到曲面环形内反射镜高精细度腔中，在曲面环形内反射镜高精细度腔中形成行波进行传输，曲面环形内反射镜高精细度腔内的被检测区域气体受到激光光束行波激发，发射出拉曼光，拉曼光一部分经过曲面环形内反射镜高精细度腔输出口，再经过光束会聚元件、滤波片将光束会聚后，被光电检测部件收集，另一部分通过曲面环形内反射镜高精细度腔另一输出口反射镜反射后，同样依次经过光束会聚元件、滤光片，聚焦到光电检测部件，最终被光电检测部件收集。

所述曲面环形内反射镜高精细度腔为球面凹面环形内反射镜高精细度腔或轮胎形环形凹面反射镜高精细度腔。

所述曲面环形内反射镜高精细度腔上的透光孔为未镀有反射膜的圆形通孔。

所述滤光片对激光光源出射光束为低透过率，透过率小于5%，滤光片对被检测气体激光拉曼光为高透过率，透过率大于95%。

所述激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

所述光束会聚元件为复合球面透镜、非球面透镜、会聚反射镜其中的一种。

所述光电检测部是单传感元光电探测器组、单色仪、线阵光电传感器光谱仪其中的一种。

所述所述的反射镜为平面反射镜、凹面反射镜、回返棱镜其中的一种。

本发明的有益效果在于：本发明光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，装置中高精细度腔构成简单，只由一个光学元件构成光学行波高精细度腔，内部形成光场行波，光强分布均匀，光束入射端腔镜的反射光不易对激光器产生干扰，***整体的结构简单，对机械定位要求低；将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用无源腔，将激光器设置在外侧，利用激光斜入射腔增强原理，避免了常规红外腔增强技术的结构复杂，同时，也没有有源腔拉曼气体分析装置的复杂结构，具有***简单、稳定性好、可靠性高的特点，同时提高了检测装置的抗干扰性；装置具有拉曼气体检测和高精细度强检测的多重特点，可实时在线进行测量，提高过程的动态信息，以利于进行最佳控制；多点测量，一般可以测试几十种气体，可以对全程进行分析和监控；可以测量除了惰性气体外几乎所有气体的浓度；灵敏度高；响应速度快，响应时间快；容易使用，操作简单，维护容易；本装置同时采用了侧面反射镜反射背向探测方向传播的拉曼光束，使这部分拉曼也可以被光电检测部件检测接收，增加了收集到的光强，进一步提高了气体含量检测性能。

附图说明

图1为本发明光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置结构示意图；

图2为本发明光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置中曲面环形内反射镜高精细度腔剖视图内光束行波传播形式示意图。

具体实施方式

本发明将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用光学行波无源腔，由单一曲面环形内反射镜构成高精细度腔，利用激光器出射光束斜入射腔增强原理，是的光束在腔内多次反射以行波形式传播，激光束经过区域中的被测气体发生拉曼散射，拉曼散射光经滤波片和光束会聚后，被光电检测部件收集，光电检测部件检测被测气体的特征拉曼频移和对应拉曼峰强度，得到被测气体浓度。

如图1所示光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置结构示意图，装置包括：激光光源1、曲面环形内反射镜高精细度腔2、光束会聚元件3、滤光片4、光电检测部件5、反射镜6。曲面环形内反射镜高精细度腔2、光束会聚元件3、滤光片4、光电检测部件5和反射镜6的旋转对称轴相重合，构成装置对称轴O1O2；激光光源1出射光束经过曲面环形内反射镜高精细度腔2的透光孔201斜入射到曲面环形内反射镜高精细度腔2中，在曲面环形内反射镜高精细度腔2中形成行波进行传输，曲面环形内反射镜高精细度腔2是由曲面环形内反射镜构成的单一的高精度腔，曲面环形内反射镜构成高精细度腔2的内壁反射层的反射率大于98%；曲面环形内反射镜高精细度腔2内的被检测区域8气体受到激光光束行波激发，发射出拉曼光；曲面环形内反射镜高精细度腔2在对称轴O1O2的两侧对称开相同大小的输出口，一侧输出口依次设置有光束会聚元件3、滤光片4、光电检测部件5；另一侧输出口设置比输出口大的反射镜6。滤光片4对激光光源出射光束为低透过率的，透过率小于5%，滤光片4对被检测气体激光拉曼光为高透过率的，透过率大于95%。

曲面环形内反射镜高精细度腔为球面凹面环形内反射镜高精细度腔和轮胎形环形凹面反射镜高精细度腔其中的一种。曲面环形内反射镜高精细度腔上的透光孔为未镀有反射膜的圆形通孔。

激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

光束会聚元件为复合球面透镜、非球面透镜、会聚反射镜其中的一种。

光电检测部是单传感元光电探测器组、单色仪、线阵光电传感器光谱仪其中的一种。

所述的反射镜为平面反射镜、凹面反射镜、回返棱镜其中的一种。

激光光源1采用LD泵浦固体激光光源，激光出1射光束直径为1毫米，曲面环形内反射镜高精细度腔2为球面环形内反射镜高精细度腔，光束会聚元件3为复消色差的复合球面透镜组，滤光片4对激光光源出射光束透过率为2%，滤光片4对被检测气体激光拉曼光为透过率为99%。光电检测部5采用光谱仪。反射镜6为凹面反射镜。

本发明实施例的工作过程为：激光光源1出射光束经过曲面环形内反射镜高精细度腔2的透光孔201斜入射到曲面环形内反射镜高精细度腔2中，在曲面环形内反射镜高精细度腔2中形成行波进行传输，曲面环形内反射镜高精细度腔2是由曲面环形内反射镜构成的单一的高精度腔，曲面环形内反射镜高精细度腔2内的被检测区域8气体受到激光光束行波激发出拉曼光，一部分经过光束会聚元件、滤波片将光束会聚后，被光电检测部件收集，另一部分通过反射镜6反射，同样依次经过光束会聚元件3、滤光片4，聚焦到光电检测部件5，最终被光电检测部件收集。

图2 为本发明中曲面环形内反射镜高精细度腔剖视图内光束行波传播形式示意图，透光孔201斜入射到曲面环形内反射镜高精细度腔2内的光在腔体中可形成闭环的传播。激光在腔体中行成闭合光路，可提高拉曼散射光的强度和灵敏度。

本发明中拉曼光谱原理以及光电检测部件检测特征拉曼谱线频移和强度分析物质含量的技术均为成熟技术。本发明的发明点在于将腔增强技术与激光拉曼检测技术相结合，采用无源腔，利用激光器出射光束斜入射腔增强原理，给出一个***简单、稳定性好、可靠性高、同时检测多种气体、灵敏度高的腔增强激光拉曼气体浓度检测装置。

Claims

1.一种光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，包括激光光源、曲面环形内反射镜高精细度腔、光束会聚元件、滤光片、光电检测部件、反射镜，光电检测部件、滤光片、光束会聚元件、曲面环形内反射镜高精细度腔、反射镜依次同轴对称放置，曲面环形内反射镜高精细度腔为由曲面环形内反射镜构成的单一的高精度腔，高精细度腔的内壁反射层的反射率大于98%，曲面环形内反射镜高精细度腔在对称轴的两侧对称开相同大小的输出口，一侧输出口边设置有光束会聚元件，另一侧输出口设置比输出口大的反射镜，被检测气体置于曲面环形内反射镜高精细度腔体中心区域，激光光源出射光束经过曲面环形内反射镜高精细度腔的透光孔斜入射到曲面环形内反射镜高精细度腔中，在曲面环形内反射镜高精细度腔中形成行波进行传输，曲面环形内反射镜高精细度腔内的被检测区域气体受到激光光束行波激发，发射出拉曼光，拉曼光一部分经过曲面环形内反射镜高精细度腔输出口，再经过光束会聚元件、滤波片将光束会聚后，被光电检测部件收集，另一部分通过曲面环形内反射镜高精细度腔另一输出口反射镜反射后，同样依次经过光束会聚元件、滤光片，聚焦到光电检测部件，最终被光电检测部件收集。

2.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述曲面环形内反射镜高精细度腔为球面凹面环形内反射镜高精细度腔或轮胎形环形凹面反射镜高精细度腔。

3.根据权利要求2所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述曲面环形内反射镜高精细度腔上的透光孔为未镀有反射膜的圆形通孔。

4.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述滤光片对激光光源出射光束为低透过率，透过率小于5%，滤光片对被检测气体激光拉曼光为高透过率，透过率大于95%。

5.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述激光光源为气体激光器、固态激光器、染料激光器、半导体激光器、自由电子激光器、量子级联激光器、生物激光器、光流体激光器其中的一种。

6.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述光束会聚元件为复合球面透镜、非球面透镜、会聚反射镜其中的一种。

7.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述光电检测部是单传感元光电探测器组、单色仪、线阵光电传感器光谱仪其中的一种。

8.根据权利要求1所述光学行波腔增强激光拉曼气体浓度检测装置，其特征在于，所述所述的反射镜为平面反射镜、凹面反射镜、回返棱镜其中的一种。